Megvan már a Higgs-részecske?

Átírás

1 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 1/49 Megvan már a Higgs-részecske? Babes-Bolyai Egyetem, Kolozsvár, Horváth Dezső horvath.dezso@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 2/49 Vázlat Részecskék és kölcsönhatások Standard Modell és a Higgs-bozon (MTA, : Felfedezésre itélve?) A Nagy Hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Megvan a Higgs-bozon? Hogyan jutottunk el idáig? Tervek, kilátások

3 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 3/49 Előszó A (részecske)fizika egzakt tudomány: A fizika univerzális nyelve a matematika, pontos matematikai formalizmuson alapszik. Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredménye egyezik a kísérlettel. Az igazi fogalmak mérhető mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméleti számítás a mérések eredményét? Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció... de a fizika kísérleti tudomány!

4 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 4/49 Kvantumfizika: valószínűségi leírás Einstein: Isten nem dob kockát! De mégis... Minden kísérleti tény igazolja, pedig nem szemléletes Egyetlen pontszerű elektron egy fésű minden résén egyszerre átmegy A csillagból jövő fénysugár gömbfelületen terjed, mégis egészében a távcsőben végzi. Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nem mozoghat, mert sugározna, csak egyszerre minden pontjában ott van bizonyos valószínűséggel. Nem tudjuk, egyetlen bomlékony részecske mikor fog elbomlani, csak azt, hogy adott időn belül mekkora valószínűséggel bomlik. A matematika minden adatot szépen visszaad!

5 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 5/49 A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Tárgy méret, m energia 1 ev = kinetikus energia, amelyet 1 V átszelésekor szerez egy elektron 1 kev = 10 3 ev 1 MeV = 10 6 ev; 1 GeV = 10 9 ev 1 TeV = ev kicsi baktérium λ(fény) ev atom kev atommag GeV elektron TeV Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet

6 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 6/49 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

7 A Standard Modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan Kísérletileg messzemenően igazolva Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 7/49

8 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 8/49 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs mechanizmusa: Szimmetriasértés! Higgs-bozon: kvantumszámok nélküli, furcsa részecske Létezik? SM: muszáj!

9 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 9/49 Viccek a Higgs-bozonról A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a csapos: Vigyázzon, magát többen is keresik! A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pap: Magát nem szívesen látjuk itt.. Mire ő: Pedig nélkülem itt soha nem lesz tömeg! Angolul: But without me how can you have mass? Miért nem kérdezik meg a varázsgömböt, hol a Higgs-bozon? Mert a fizikusok hülyék. A tárgyak tömege NEM a Higgs-mechanizmustól van!

10 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 10/49 A CERN 20 tagországa + Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.

11 A CERN és környéke Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 11/49

12 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 12/49

13 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 13/49 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

14 Az LHC eltérítő-mágnesei Az 1232 szupravezető mágnes egy része (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T) Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 14/49

15 Az LHC már készen Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 15/49

16 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 16/49 CMS (Compact Muon Solenoid) Compact Muon Solenoid: tonnás digitális kamera 20 M kép/s, 1000 GB/s adat Tárolás: max. 400 kép/s intelligens adatszűrés!!

17 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 17/49 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban > 3000 résztvevő a világ 35 országából A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: belső átmérője 6 m, mágneses tere 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektorok pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI Előreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF) Készült USA-RU-TR-HU együttműködésben: RMKI, Budapest Az első leeresztett CMS-detektorrész: nov. 11. Adatkezelés: Worldwide LHC Computing Grid Wigner FK RMI: BUDAPEST WLCG-állomás

18 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 18/49 A CMS-együttműködés, ország 179 intézménye 3275 fizikus (közülük 1535 diák) 790 mérnök és technikus Résztvevők intézmény országa szerint: USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234 Útlevél szerint: USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305 Magyar intézményből: 40, magyar útlevéllel: 44

19 A CMS mágnese Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 19/49

20 A CMS belső része Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 20/49

21 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 21/49 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Wigner FK Tier-2: 500 CPU, 255 TB, CMS és ALICE VO ATOMKI Tier-3: átadva, 2012 nov jan.: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települ!

22 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 22/49 Az LHC remekül működik! p-p ütközések hozama 7 TeV-nél 2010: 0,04 fb 1, 2011: 5.6 fb 1, 2012: 25 fb 8 TeV!

23 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 23/49

24 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 24/49

25 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 25/ május: ATLAS és CMS lát valamit? Mindenki lát (utólag még az amerikai TEVATRON is) egy kevés többletet a Standard Modell Higgs-bozon nélküli jóslata fölött, de sehol sem igazán jelentős A mért adatnak kísérleti bizonytalansága van (σ). Forrása: észlelések száma és minősége, szimulációk egyezése kísérlettel, felhasznált korábbi adatok bizonytalansága. Megállapodás: felfedeztünk valami újat, ha az ismert háttérből az a kísérleti bizonytalanság ötszörösével (5σ) kiemelkedik MTA, : Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??

26 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 26/ július 4: valami van! ATLAS és CMS, 7 és 8 TeV ütközési energián, H γγ és H ZZ l + l l + l csatornában, m 126 GeV tömegnél statisztikusan jelentősen (kísérletenként 5σ szignifikanciával) lát egy új H részecskét a SM Higgs-bozonjának megfelelő tulajdonságokkal. Vajon tényleg a Higgs-bozont látjuk? Az adatelemzés kihegyezve a SM Higgs-bozonra... De még be kell bizonyítanunk, hogy tényleg az, pl. S H = 0 + : H ZZ és H WW bomlástermékek szögeloszlása H XY... valószínűségei SM szerintiek Csak egy Higgs-bozon van (nincs több, semleges vagy töltött)

27 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.) Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 27/49

28 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 28/49 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)

29 Melbourne, 2012 július 4. Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 29/49

30 CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 30/49

31 Higgs-bozon, 2012 aug. 17. Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 31/49

32 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 32/49 CMS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17 CMS Collaboration: Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC Phys. Lett. B 716 (2012) a közben (20 év építés!) eltávozott résztvevőknek dedikálva 15 oldal cikk, utána 17 oldalon 2899 szerző, 19+3 magyar: Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest: Bencze György, Hajdu Csaba, Hidas Pál, Horváth Dezső 1, Siklér Ferenc, Veszprémi Viktor, Vesztergombi György 2, Zalán Péter ATOMKI, Debrecen: Béni Noémi, Czellár Sándor, Fenyvesi András, Molnár József, Pálinkás József, Szillási Zoltán Debreceni Egyetem: Karancsi János, Raics Péter, Trócsányi Zoltán, Ujvári Balázs, Zilizi Gyula Más színekben: Gutay László (Purdue), Banicz Károly (FNAL) és Veres Gábor 2 (CERN)

33 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 33/49 ATLAS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17. ATLAS Collaboration: Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC Phys. Lett. B 716 (2012) szerző 19 román, 4 magyar Tóth József és Pásztor Gabriella (Wigner FK), ifj. Krasznahorkay Attila (New York U.) és Kövesárki Péter (Bonn U.) Romániai intézmények: NIPNE, UB, UP és IFIN-HH, Bukarest; WUT, Temesvár

34 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 34/49 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

35 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 35/49 H γγ tömegeloszlása CMS ATLAS

36 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 36/49

37 CMS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 37/49

38 ATLAS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 38/49

39 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 39/49 CMS, 2012 november: jelerősség A 2012-es statisztika megduplázása: CMS-jel 6.9 σ < M X >= ± 0.4(stat) ± 0.4(syst)

40 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 40/49 Ez a SM Higgs-bozonja? CMS, 2012 november A különböző bomlási módusok valószínűsége a SM előrejelzéseihez képest 126 GeV-es Higgs-bozonra CMS átlaga, 2012 november: 0.88 ± 0.21 Közeledünk a SM-hez (sajnos :-) ATLAS átlaga, 2012 november: 1.3 ± 0.3

41 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 41/49 Hogyan jutottunk idáig? CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerző) Technikai tervek (8 többszázoldalas mű): Detektor jórészt felépítve a felszínen: Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd : 7 TeV, összegyűjtött luminozitás 0.04 fb : 7 TeV, 5.6 fb április december: 8 TeV, 25 fb 1 LHC fejlődése: : 140-szeres luminozitás : 7 8 TeV, cca. ötszörös luminozitás

42 CMS-vezérlő, 2012 május 2, 15h 45p DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelő: HD Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 42/49

43 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 43/49 Adatminősítés, eseményrekonstrukció Globális, online ellenőrzés: Data Quality Monitoring Offline DQM aldetektoronként. Budapest és Debrecen: Tracker-adatok minősítése (Wigner FK CMS-állomásán!) Eseményrekonstrukció Tier-0-ban. Tárolás Tier-1-ben, analízis Tier-2-ben és Tier-3-ban (Particle flow: aldetektorok jeleinek összevarrása). CERN-i Tier-0 Bolognai Tier-1 budapesti Tier-2 debreceni Tier-3 A Wigner FK CMS-állomása

44 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 44/49 Vak adatelemzés szimulációk alapján Vak adatelemzés: addig mért adatokhoz nem nyúlunk, amig nem rögzítettük az elemzés módszerét (eseményválogatás, jel- és háttérszerűség valószínűsége). Több párhuzamos analízis ugyanarra különböző módszerrel. Analysis Note-ok ( oldalon), a legjobbat fogadjuk el: Tisztaság, hatásfok, szisztematikus szórás, átláthatóság. Analysis Note-ok egész CMS előtt, konkurrensek vitája.

45 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 45/49 CMS: 78 p-p vertex! Sok p-p ütközés lehet ugyanabban az eseményben (csomag-ütközésben). Rekord: 78 azonosított vertex. Adatmennyiséget növeli, de elemzést nehezíti.

46 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 46/49 Mit mondhatunk és mit nem? Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekről. ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS megerősítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egyből látta a 125 GeV-es Higgs-bozont elhanyagolható szignifikanciával (ugyanazok a fizikusok ). Egy ATLAS-os (mi lett vele?) tavaly fel is fedezte a Higgs-bozont 140 GeV-nél. Csak jóváhagyott (elfogadott Physics Analysis Summary-ban levő) ábrákat, adatokat mutathatunk. Konferencia előtt próbaelőadások. Joe Incandela július 4-i előadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta előző délután.

47 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 47/49 Felfedezés? A Tevatronnál amit az egyik kísérlet (ált. CDF) felfedezett, a másik (D0) általában később megcáfolta. ATLAS és CMS megállapodott, hogy ha valamelyik felfedez valamit, a szóvívő elmondja a Főigazgatónak, aki odahívja a másik szóvívőt és megkéri, ellenőrizze. Erre most nem volt szükség. CMS és ATLAS megállapodott, hogy nem használja a Discovery (felfedezés) szót, csak az Observation -t (megfigyelés).

48 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 48/49 Végszó ATLAS és CMS, két LHC-energián, többféle bomlási csatornában, hasonló tömeggel és jelerősséggel lát Higgs-bozon-szerű részecskét. Tanulmányozni fogjuk. Jó lenne, ha nem pontosan a SM Higgs-bozonja volna: új fizika reménye. John Ellis beszélget Margaret Thatcherrel

49 Horváth Dezső: Megvan már a Higgs-részecske? Kolozsvár, p. 49/49 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Innovációs Hivatal Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, NK81447, K72172, K81614, H07B és H07C EU FP6 MC-ToK és FP7 III Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia Megértő együttműködő partnereink (CERN, ETHZ, HEPHY!) Köszönöm a figyelmet!